滑動磨損是限制最廣泛使用的金屬工程部件的安全性、可靠性和使用壽命的關鍵因素之一。因此，開發耐磨的大塊合金或涂層已成為材料科學的長期目標。從經驗上看，金屬合金的耐磨性與硬度有關，如Archard方程所示。然而，由于滑動表面以下的微觀結構演化，如晶粒生長和晶界弛豫，以及自組織納米層狀結構的自發形成，已經有大量報道了Archard結垢的破壞，特別是納米結構金屬。因此，耐磨合金的設計不僅要求初始硬度度高，還應考慮到磨損時的結構演變。由高熔點元素組成的復合合金(CCAs)表現出顯著的強度，這是由于其固有的固溶體強化和緩慢擴散，導致熱軟化減弱和晶粒粗化。與傳統合金相比，大多數復合合金具有更好的耐磨性，因此是高耐磨合金的有前途的候選人，以緩解磨損相關的損傷和能量損失。

此外，晶粒細化也被用于加強和進一步提高復合合金的耐磨性。因此，人們開發了各種方法來有效合成納米結構的復合合金薄膜，如磁控濺射、激光熔覆和電沉積等等，相對于塊狀粗顆粒的復合合金薄膜，它們的晶粒尺寸顯著減小。此外，有報道稱，如果實現塑性共變形，非晶納米復合材料可以克服由其單個組分引起的強度-塑性權衡，甚至可以接近紅外理論強度。滑動磨損過程中的表面氧化也可能促進非晶納米復合材料的形成。如果這種由嵌入非晶基體的晶體納米顆粒組成的納米復合材料具有相當均勻的變形能力，就可以限制滑動誘導的開裂和局部斷裂，提高耐磨性。例如，氧化物非晶納米復合材料表面已被證明可以顯著降低(TiNbZr)-Ag薄膜的磨損率。應該關注的是，升高的溫度促進氧化反應，在一些復合合金中形成氧化非晶硅納米復合材料表面，并有望獲得優異的中等溫度耐磨性。

在這項工作中，南方科技大學的任富增教授等人報告了一種通過在高溫磨損過程中原位形成非晶納米復合材料表面層和梯度納米結構來實現卓越耐磨性的策略。為了證明理論，我們使用體心立方(BCC)納米結構TaMoNb 復合合金薄膜作為我們的模型系統。該薄膜采用磁控共濺射法制備。用納米孔壓縮試驗和納米壓痕法測定了薄膜的力學性能。然后，我們根據標準ASTM G-99進行了球在圓盤上的干滑試驗，在RT、300℃和400℃條件下的最大接觸應力為0.57 GPa。最后，我們檢測了滑動表面下的化學成分和侵蝕截面微觀結構，證實在300℃的磨損過程中，在非晶氧化物基6體中形成了一種原位形成的納米復合材料，由單形分布的鉺晶納米顆粒組成，并結合梯度變形納米結構。這種獨特的微觀結構可調節均勻滑動誘導的塑性變形，從而顯著提高耐磨性。因此，這為在高溫下使用的自適應耐磨合金的設計提供了重要的見解。

相關研究成果以題“Superior wear resistance in a TaMoNb compositionally complex alloy film via in-situ formation of the amorphous-crystalline nanocomposite layer and gradient nanostructure”發表在國際著名期刊Acta Materialia上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118503

圖 1

圖1所示。濺射時TaMoNb薄膜的形貌和相態。(a-b)頂部和截面視圖的SEM圖像。(c) XRD圖譜。(d)俯視AFM圖像。 

圖 2

圖2所示。濺射時TaMoNb薄膜的截面TEM表征。(a)顯示薄膜厚度和生長方向(GD)的低倍率明場TEM圖像。(b)和(c)為高倍率TEM圖像和相應的SAED模式。(d)柱狀顆粒寬度統計分布。(e)典型單個柱狀顆粒的高分辨率TEM圖像。(f)從(e)中矩形區域截取的IFFT圖像(帶有FFT模式)。(g)所選ta偏析區域的HAADF-STEM圖像和相應的EDS元素圖。(h)元素分布沿(g)所示黃線的剖面圖。

圖 3

圖3。在RT、300°C和400°C下TaMoNb薄膜的摩擦學性能。(a-c) 滑動距離。(d-f)帶磨損軌跡三維輪廓的二維截面輪廓。

圖4

分別在RT (a-b)、300°C (C -d)和400°C (e-f)滑動磨損后磨損軌跡的表面形貌和成分。(a)、(c)、(e)為掃描電鏡圖像，其中箭頭表示SD。(b)、(d)、(f)分別為(a)、(c)、(e)中磨損軌跡中所選區域對應的EDS元素圖。 

圖 5

圖5所示。在RT (a-d)、300°C (e-h)和400°C (i-1)下與SisN4球干滑10 m后，獲得了Ta 4f、Mo 3d、Nb 3d和Si 2p的高分辨率XPS譜。

圖 6

圖6所示。在rt處與SisN4球干滑動后TaMoNb薄膜的ND-SD截面TEM表征。(a)顯示滑動面以下截面微結構的明亮場TEM圖像，插入圖顯示塑性變形區域的SAED模式。(b) (a)中納米復合層的SAED圖。(c)納米復合層中納米顆粒的晶粒尺寸分布。(d)納米顆粒在納米復合層中被非晶基體包圍的典型高分辨率TEM圖像。(c)在(d)中標記的選定區域的IFFT圖像和FFT模式(插圖)。(f)典型的HAADF-STEM圖像和納米復合層中納米顆粒對應的EDS元素圖。

圖 7

圖7所示。300℃下與SisN4球干滑后TaMoNb薄膜的ND-SD截面TEM表征(a)亮場TEM圖像，顯示滑動表面以下的截面微結構，插入圖顯示塑性變形區域的SAED模式。(b)納米復合材料層的SAED圖。(c)納米顆粒在納米復合層中的晶粒尺寸分布。(d)和(e)分別為納米復合材料層的高倍率明場和暗場TEM圖像。(f)顯示納米顆粒在納米復合層中被非晶基體包圍的高分辨率TEM圖像。插入的是所選區域的FFT模式。(g)納米復合材料層的HAADF-STEM圖像。(h) (g)中選擇區域的高倍率HAADF-STEM圖像，以及相應的EDS元素圖。

圖 8

圖8所示。400℃下與SisN4球干滑后TaMoNb薄膜的ND-SD截面TEM表征(a)亮場TEM圖像，顯示滑動表面以下的截面微結構，釉面層中標記有裂紋。(b)和(c)分別為釉層高倍率明場和暗場TEM圖像。(d)納米復合材料層的SAED圖。(e)非晶-晶納米復合材料表面層中納米顆粒的統計粒度分布。(f)被氧化非晶基體包圍的納米顆粒的高分辨率TEM圖像。(g) HAADF-STEM圖像和相應的EDS元素圖

圖 9

圖9所示。(a)高分辨率TEM圖像和(b)在300°c磨損的TaMoNb薄膜的最表層(-50 nm深度)拍攝的相應IFFT圖像。(c)從梯度納米結構磨損的亞表面拍攝的TEM圖像，顯示了與SD平行的循環滑動引起的納米層合結構。(d)標記在(c)中的選定區域的高分辨率TEM圖像。(e)和(f)標記在(d)中的選定區域的對應IFFT圖像，顯示了梯度納米結構磨損亞表面中B-Ta相的形成。(g)新形成的ß-Ta相的HAADF-STEM圖像和相應的EDS元素圖。(h)沿黃色線ij (g)的元素分布線圖。

圖 10

圖10所示。不同溫度下滑動磨損過程中亞表面微觀組織演變示意圖。

圖 11

圖11所示。與相同納米孔直徑為500 nm的濺射TaMoNb薄膜相比，滑動磨損誘導納米復合材料的力學性能和梯度納米結構。(a)濺射TaMoNb薄膜納米顆粒在(al)和(a2)壓縮前后的掃描電鏡圖像。(b)壓縮前(bl)和壓縮后(b2)由納米復合材料(I)和梯度納米結構(II)組成的納米孔的SEM圖像。(c)典型的壓縮工程應力-應變曲線。

綜上所述，在這項工作研究了磁控管濺射TaMoNb薄膜在室溫和高溫下的干滑動磨損行為。為了解磨損機理，本文采用微柱壓縮和納米壓痕DMA技術對其力學性能進行了分析，并對其截面磨損誘導的微觀組織進行了詳細的表征。由納米級和柱狀晶粒組成的TaMoNb薄膜具有20 GPa的超高硬度。由嵌入在非晶基體中的納米顆粒和具有梯度納米結構的塑性變形層組成的納米復合層。在300°C時生成的納米復合層致密，由均勻嵌入在非晶氧化物基體中的僅-6 nm的等軸納米顆粒組成。在400°C，則沒有明顯的塑性變形層，取而代之的是一層薄的非晶態層。原位形成的非晶納米復合層和300°C磨損過程中產生的梯度納米結構促進塑性共變形，從而抑制滑移引起的開裂和局部斷裂。因此，TaMoNb薄膜在300°C下的磨損率顯著降低，小于RT和400°C下的25%磨損率。

因此，我們展示了一種通過非晶-非晶態納米復合材料層和梯度納米結構通過設計形成耐磨合金的方式。